JP2005508101A - Electron beam excitation superconducting analog-digital converter - Google Patents

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JP2005508101A JP2002572732A JP2002572732A JP2005508101A JP 2005508101 A JP2005508101 A JP 2005508101A JP 2002572732 A JP2002572732 A JP 2002572732A JP 2002572732 A JP2002572732 A JP 2002572732A JP 2005508101 A JP2005508101 A JP 2005508101A
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electron beam
superconducting
josephson junction
transmission line
superconducting transmission
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JP2002572732A
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Inventor
ファリス、サデグ、エム.
Original Assignee
レベオ, インコーポレイティッド
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/22Analogue/digital converters pattern-reading type
    • H03M1/32Analogue/digital converters pattern-reading type using cathode-ray tubes or analoguous two-dimensional deflection systems

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

【解決手段】A/Dコンバータで、アナログ電圧シグナルをデジタル表現に高速に変換することためのシステムと方法が提供される。この発明は、N本の超伝導、好ましくはHTCの、伝送線で製造されたNビットのA/Dコンバータが教示される。N本の線は各々と並列に、かつ、隣接して配置される。各ラインには、2N−1個のジョセフソン接合素子が直列に埋め込まれている。前記ジョセフソン接合素子は前記N本の超伝導伝送線の構成上にマトリックスを構成し、前記ジョセフソン接合素子を、N桁のバイナリ番号をX方向に沿って生成し、さらに前記N桁のバイナリ番号がY方向に沿って整数順に並ぶように、置くものである。走査用電子ビームがこの配列に当てられるために生成される。このビームは、前記線を横切る方向に高周波数で走査され、適用された電圧信号によって線に沿う方向に偏向される。前記電子ビームはジョセフソン接合素子の一つに当たる状態で前記N本の超伝導伝送線のいずれか1つの上で電圧ステップを生成する。このようにビームを交差走査することで、Nビットステップの電圧パターンが前記線上に生成される。前記パターンは入力電圧信号の直接的なデジタル読取値となる。
【選択図】図1
Systems and methods are provided for fast conversion of an analog voltage signal into a digital representation with an A / D converter. The present invention teaches N superconducting, preferably HTC, N-bit A / D converters manufactured on transmission lines. N lines are arranged in parallel and adjacent to each other. In each line, 2 N-1 Josephson junction elements are embedded in series. The Josephson junction element forms a matrix on the configuration of the N superconducting transmission lines, generates the Josephson junction element along the X direction with an N-digit binary number, and further generates the N-digit binary number. The numbers are placed along the Y direction so that they are arranged in integer order. A scanning electron beam is generated to be applied to this array. This beam is scanned at a high frequency across the line and is deflected along the line by an applied voltage signal. The electron beam produces a voltage step on any one of the N superconducting transmission lines in a state where it hits one of the Josephson junction elements. By cross-scanning the beam in this way, a voltage pattern of N bit steps is generated on the line. The pattern is a direct digital reading of the input voltage signal.
[Selection] Figure 1

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、アナログ−ディジタル変換に関し、特に、高速アナログディジタル変換のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
デジタルプロセシングの進歩は、科学・技術およびデジタル処理アプリケーションにおける多くの努力にかなりの衝撃を与えている。デジタル方式の機器の能力を利用し処理するために高速のアナログ信号をデジタル表現に変換する必要がある場合が多くある。キーとなる要素は、多くのシステムの重大なフロントエンドであるアナログ・デジタル変換器(A/Dコンバータ)として知られているデバイスである。しかし、A/Dコンバータの性能はデジタル方式の処理装置より劣るため、それが、多数のアプリケーションについて、完全なデジタル化を図る上での障害となっている。
【0003】
約10ビットを超える分解能で、30MHz〜3GHzの間で動作するA/Dコンバータが望まれている。これらのA/Dコンバータは、レーダのフロントエンド、妨害レシーバ、画像処理、HDTV、その他の、構成要素として使用することができる。従来の半導体素子は、周知のシステム上の制限を有していたため、上記で要求される性能を満たすことができない。たとえば、現在のシリコンバイポーラ技術では1GHzで4ビット分解能を達成し、ガリウム砒素異質接合バイポーラ・トランジスタ(HBT)では1GHzで6ビット分解能を達成すると予測される。これは、ジョゼフソン接合(JJ)技術が、最新のデジタルシステムに必要な性能を発揮する可能性が最も高いという余地を残すものである。液体He温度で作動する最速のジョゼフソン接合フラッシュA/Dコンバータは、1GHzで6ビット、10GHzで3ビットを達成した。これらの低臨界温度(Tc)回路は、高Tc(HTC)超電導を使用して再現することができない高い非線形を有する高品質のジョゼフソン接合を必要とする。従って、多くの周知の低Tcジョセフソン接合回路およびその概念は、HTC超電導内では実行できないと考えられる。したがって、この種の周知の技術が能力レベルにおいて基本的限界に達すると結論することは妥当であり、そして、新規な方法を追求することは正当化でありかつタイムリである。
【0004】
したがって、従来の低Tcジョセフソン接合素子を使用する事によって可能であると考えられていたよりも高い能力レベルのオーダを生成するHTC超電導に基づく、新しいA/D変換システムおよび方法に対する技術のニーズは以前として残る。特に、10ビットの分解能で10GHzを上回る帯域幅の能力を有するA/D変換システムに対するニーズがあり、そして、それは従来周知の技術によっては成し遂げることが不可能である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0005】
従来技術の、上記で議論され、及びその他の問題および欠陥は、本発明のA/Dコンバータとして公知の、アナログ電圧信号をデジタル表現に変換するためのシステムと方法によるいくつかの方法や装置によって克服されるかまたは軽減される。
【0006】
本発明は、N本の超伝導、好ましくはHTCの、伝送線によって作成されたN-ビットA/Dコンバータを教示する。前記N本の線は、互いに並列かつ近接して配置される。各線上には、2 - 個のジョセフソン接合素子が直列的に埋め込まれる。従って、ジョセフソン接合素子は、N本の超伝導伝送線の構成上にマトリックスを構成し、それによって、前記伝送線を横切る方向に前記ジョセフソン接合素子がN桁の2進数を与え、長さ方向に沿って前記N桁の2進数が整数順に並ぶ。走査電子ビームが、この装置に当てるために生成される。このビームは高周波数で伝送線全体を横切ってスキャンされ、その一方で、それは印加電圧により線方向に沿って偏向される。ビームは、N個の伝送線の各線に電圧ステップを発生させ、N個のジョセフソン接合素子のいずれか1つを打つ状態にする。このようにして、各ビームの交さ走査により、Nビットステップの電圧パターンがその伝送線上に生成される。このパターンは、入力電圧シグナルの直接の読み取り数値となる。
【0007】
上記の議論されたおよびその他本発明の特徴および効果は、以下の詳細な説明および図面から当業者によって理解されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
本願明細書では、従来の低Tcジョゼフソン接合(JJ)素子を使用して可能であると思われていたものよりも高いパフォーマンス・レベル・オーダーを生成することができるHTC超電導弱リンク素子に基づく新規なA/Dコンバータ・システム及び方法が、開示される。このシステムは、2つの現象に依存する。第1に、電子ビームが数GHz周波数範囲内で偏向可能であること。第2に、ジョーゼフスン接合素子(JJ)は、適当な電子ビームが当たることで電圧状態に変換されること。この超高性能のA/Dコンバータは、電子ビームのインタラクションを、超伝導素子及び回路とともに利用する。特に、本願明細書において開示されたシステム及び方法は、10GHzを上回る帯域幅で、電子ビームを偏向させることができ、10ビットの分解能で10GHz帯域幅の性能を有するA/Dコンバータを提供できる。これは、従来の技術によって成し遂げるのが不可能であったものである。このハイブリッドのシステムは、また、超伝導伝送線の重要な低分離性という性質と、HTC弱リンクの超高速スイッチングによる利益を受ける。1の実施例において、500MHzから1GHzのアナログ帯域幅を有する12ビットA/Dコンバータが、実現可能である。これは、他の技術によれば高いオーダーである。他の実施例ではA/Dコンバータの性能を、12のビットで10GHzの性能まで向上させることが出来る。
【0009】
エネルギを有する電子ビームによって励起された場合、ジョゼフソン接合素子は、0電圧状態から有限の電圧状態にスイッチされる事は、よく知られている。このビームは、ジョーゼフスン電流を抑制する準粒子を生成する。図1は弱リンク・タイプのジョセフソン接合素子の現在の電圧特性であり、それは臨界電流Jを有し、それは、電流Iでバイアスされた電流である。電子ビームが印加された場合、JはI’(Iのより低い)に抑制され、素子を0電圧状態からVまで切替えさせる。この素子は、電子ビーム励起を除去すると、0電圧状態にリセットされる。弱リンク・タイプ・ジョセフソン接合素子のスイッチング・スピードは、サブピコ秒のレンジであることは周知である。これを達成するために、電子ビームのエネルギーEは、同時に、ジョーゼフスン・エネルギーE=I/2Bのオーダーになければならならず、ここでEは超伝導凝結エネルギーよりも非常に小さくなければならない。ジョゼフソン素子を使用した場合、Iを0.1〜ImAの範囲に、そして、電子ビーム電流及び電圧をそれぞれ、数μA及び数KVに、そして、ビーム励起パルス周期を1−10のピコ秒値域にするという条件は容易に満たすことができる。
【0010】
図2は、本願明細書において開示される複数ビットA/Dコンバータ・システムの構成要素としての伝送線20を示すものである。この伝送線20は、複数のジョセフソン接合22を連続的に含む(図2の断面によって示されるように)非分散HTC超伝導伝送線である。伝送線20は一般にZの特性インピーダンス効果(数オーム)があり、そして、両端でマッチ(matched)されている。電流供給はIgでジョセフソン接合をバイアスし、そして、上に示したように、電子ビームがこれらの接合のいずれか一つにヒットした場合に、電圧パルスVが生成され、線の出力端部に送られる。この伝送線は、左から右へ信号の伝達遅れ時間Tを定義する長さLを有し、ここで、Tは、Vが伝送線位相速度であり、実際的な状況において、光速の1/3に等しい場合に、T=L/vpである。伝達遅れ時間は、一般にA/Dコンバータの分解能の帯域幅およびビットを制限する。
【0011】
したがって、A/Dコンバータは図2で示したN本の伝送線20を含む。動作原理は図3に示され、この実施例では3ビットのA/Dコンバータ30が示されている。この場合、3本の伝送線32a、32bおよび32cは、各々に隣接して配置されており、クロストークを最小にするために適切な距離だけ離間している。これらの伝送線32a、32bおよび32cはY方向に沿って設けられ、電子ビームはX方向に沿ってスィープまたはスキャンにされる。また、図3に示されるのは、2または8本の、YからYによって示される行である。XY平面において、8つの行および3つのカラム(3つの伝送線32a、32bおよび32c)を有するマトリックスが形成される。各行の位置を表示しているビット・パターンは、各行のジョゼフソン接合(X)の番号によって示される。たとえば、第1の行、Yは、ジョセフソン接合素子を有さず、Y位置を表示しているビット・パターンは(0、0、0)である。他方で、Yは3つのジョセフソン接合素子を有し、そして、ビット・パターンは(1、1、1)である。A/Dコンバータ機能を達成するため、これは、非常に速くXY平面方向で電子ビームをスキャンする能力を利用する。20GHZに近づく帯域幅の電子ビーム偏向が可能である。X方向において、電子ビームはサンプリング周波数f(f>10GHz)で、連続的にスィープされる。入力アナログ信号がY偏向システムに印加され、ビームをY方向に、入力アナログ信号の値に応じて、YからYの間の位置に向かって、偏向させる。たとえば、入力アナログ信号がゼロである場合、電子ビームは第1の行(Y)を横切ってX方向にスィープされ、そして、この場合、この行にはジョゼフソン接合がないので、3つのラインの出力電圧はビット・パターン(0.0.0)である。入力電圧が最も高い場合、ビームは、第8の行(Y)を横切ることができるようにY方向に偏向させられ、そして、3つのジョゼフソン接合がスイッチングを行い(図1および2に従って)、そして、出力はビット・パターン(1、1、1)である。もちろん、値がゼロと最高値の間にある場合、ビームは他の行を横切ってスィープすることになる。アナログ信号が変化するにつれて、出力ビット・パターンはサンプリング周波数fでそれを反映するために変わる。本願明細書において当業者によって理解されるべきことは、ジョセフソン接合素子が"1"に割当てられそして"0"を無効にするように割り当てられるか、若しくはその逆に割当てられるかということは、任意であるということである。
【0012】
前記3ビットA/Dコンバータ30は、明らかに超伝導伝送線のゼロ抵抗及び非分散品質、前記ジョゼフソン接合の極めて高いスイッチング・スピードおよびXY方向に数GHzで電子ビームを偏向させる能力に依存している。
【0013】
図4において、Nビットの一般的なA/Dコンバータ40が示される。ここでは、当然、N本の伝送線42a、42b、42c...42N−1が必要である。前記行は周期pで、ジョセフソン接合素子の長さで繰り返し、そして、それはまたボイド、すなわちジョセフソン接合素子のないラインの最も短い部分、の部分の長さである。各伝送線の全長は、L=p2である。この関係は、Lが一定に保たれる場合、pの値が減少するにつれて、ビットの数が増加し、それによってより広いアナログ帯域幅が許容される。アナログ帯域幅は、伝送線42中の信号の伝搬遅延Tによって制限され、それは伝送線の長さに関連する。A/Dコンバータ40の帯域幅は、BW=1/2Tで表すことができる。
【0014】
サンプリング周波数は、電子ビームがX方向にスィープされる周波数であり、それは、システムの最大性能を決定するものである。システムの最大アナログ帯域幅BWは、1/2fを超えることができない。図5に示すように、A/Dコンバータの性能は、3つの線若しくは領域によって一般的に区画される。
【0015】
平坦な領域は、Y-方向の電子ビーム偏向帯域幅、fおよびBW=f/2という関係によってに制限される。サンプリング間隔がほぼ3Tより長い場合に限り、アナログ帯域幅BW=f/2は分解度を表すビットから独立している。P=0.5ミクロンでビーム・サイズが直径0.5ミクロンに等しい場合、f=20GHZは最大アナログ帯域幅10GHZと最大ビット番号N=13を与える。
【0016】
光は領域を制限し、すなわち、N>13の場合、帯域幅はビットの数に対して以下の公式に示すように関連する:BW=(c/2np)x(1/2)ここで、cは光の速度であり、nはcと比べて伝送線位相速度がどれくらい遅いかを反映するもので、個々では3であると過程され、そして、pはピッチである。この式から、1GHzのBWで、N=17ビットのものを得る。
【0017】
前記数式では、伝送線長さは無限に長くはないことから、図5に示す最大長さに関する限界が与えられる。経験による直感、マイクロ素子の製造のような実務的な制約、電子ビーム・スキャン距離、ビームのデフォーカス、その他に基づき、最大伝送線長は約10cmであり、この場合、A/Dコンバータの性能は500MHzの帯域幅で18ビットの分解能を有する。
【0018】
ピッチを0.5ミクロン以下にし、電子ビーム偏向帯域幅を20GHZよりも大きくすることにより、図5の破線の曲線で示すように、更に性能を向上させることが可能である。両方とも、電子ビーム偏向システムの精密な設計と共に、高度なリソグラフィおよびマイクロ素子の製造技術によって実現可能である。
【0019】
前述の分析から、本発明の電子ビームA/Dコンバータが最も進んだジョセフソン接合回路よりも高い性能のオーダを有するものであることは明らかである。13ビットの分解能でアナログ帯域幅が10GHz、又は17ビットで1GHzを得る可能性は、他の技術を用いて企図することは不可能である。この種の極めて高い性能レベルを達成することへのキーファクターは、10GHzを超える帯域幅の電子ビーム偏向回路を製造する能力である。これは、S.M. Kocimski(IEEE Translations on Electron Devices,Vol.38.page 1524,June,1991)によって示されている。この新規な概念の重要な他の効果は、ジョゼフソン接合が、鋭準パーティクルトンネリングコンポーネントを有するトンネル接合ではなく、弱リンク・タイプのものであることが可能であるということである。弱リンクは、HTC超伝導材料を使用して直ぐに作ることができ、それにより図6で示すミニチュア冷凍器で77°Kまで冷却することができる。
【0020】
20GHz若しくはそれを超えるの偏向帯域幅を達成することとの主な問題は、N>10の場合に2を超えるダイナミック・レンジでの線形性に関係している。幸いにも、開示されたA/Dコンバータ・アーキテクチャは、超伝導チップでこれにアドレスすることができる。ピッチpで周期的に繰り返す行の代わりに、あるグループの行は、非線形の測定によって決定される可変スペースを有する。このスキームにより、したがって、非線形を最小にすることができる。
【0021】
超高性能なA/Dコンバータ・システム70の好適な実施例が、図7に略図で示される。A/Dコンバータ・システム70は、3つの大きなサブシステムを含む。電子ビームサブシステム76は、例えば、0.5ミクロンの直径、0.1μA、所望のアナログ帯域幅に応じて1〜5KVの範囲の電圧の電子ビームを発生し送ることが出来る能力を有する公知の電子ビーム発生器を有する。性能に応じて、XY方向偏向回路は、100MHz〜200GHzの範囲の帯域幅を達成するように設計されている。
【0022】
超伝導伝送線チップ76が、適切な絶縁体および抵抗器技術およびレギュレートされた電源と共に提供され、それは、図2〜4に関して説明されたように線形の送信を達成できる、高T超伝導伝送線および弱いリンク素子を利用するものである。チップ76は、好ましくは、室温エレクトロニクスをインタフェースするための広帯域幅増幅器を含む。上面側が真空状態であるように、チップ76は真空シール装置においてパッケージ化されなければならない、そして、他の表面が熱的に冷却のサブシステム78に接続すると共に、電子ビーム励起にさらされる。
【0023】
冷却のサブシステム78は電源のミリワットのフラクションの超伝導回路からの消失を補償するために提供される。したがって、冷却の制限は、厳しくない。たとえば、冷却は、図6に示されるミニチュアのスターリングサイクル冷凍器を使用して、簡単に成すことができ、それは周知である。
【0024】
追加の電子部品、図7に具体的には示していないが、具体的には、線形広帯域幅増幅器、同時性ジェネレータおよび室温インタフェース電子部品や、メモリバッファおよびプロセッサのようなものも、特定のアプリケーションのために必要に応じて含ませることができる。
【0025】
上記のさまざまな本発明の態様に対する修正は、単なる例示である。例示の実施例に対する他の修正が当業者に直ちに思いつくと理解される。全てのこの種の修正および変更は、特許請求の範囲に定義された本発明の要旨及び範囲内であるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】図1は、弱リンク・ジョーゼフスン接合素子の電流−電圧特性を示すものである。
【図2】図2は、電子ビームで励起された分散性の低いHTC超伝導線であって、両端でマッチし、一連の弱リンクを含むものを示すものである。
【図3】図3は、3ビットの、電子ビーム励起超伝導A/Dコンバータを示すものである。
【図4】図4は、一般的な、Nビットの、ビーム励起超伝導A/Dコンバータを示すものである。
【図5】図5は、例として実施例の電子ビームA/Dコンバータの期待される能力を示すものである。
【図6】図6は、ミニチュアのスターリング・クローズド・サイクル冷凍器を示すものである。
【図7】図7は超高性能なアナログ−デジタル・コンバータシステムの概略図を示すものである。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to analog-to-digital conversion, and more particularly to systems and methods for high-speed analog-to-digital conversion.
[Background]
[0002]
Advances in digital processing have had a significant impact on many efforts in scientific and technical and digital processing applications. In many cases, it is necessary to convert a high-speed analog signal into a digital representation in order to utilize and process the capabilities of digital equipment. A key element is a device known as an analog-to-digital converter (A / D converter), which is a critical front end for many systems. However, since the performance of the A / D converter is inferior to that of a digital processing device, it is an obstacle to complete digitization for many applications.
[0003]
An A / D converter that operates between 30 MHz and 3 GHz with a resolution exceeding about 10 bits is desired. These A / D converters can be used as components such as radar front ends, jamming receivers, image processing, HDTV, and others. Since the conventional semiconductor device has a known system limitation, it cannot satisfy the performance required above. For example, current silicon bipolar technology is expected to achieve 4 bit resolution at 1 GHz, and gallium arsenide heterojunction bipolar transistor (HBT) is expected to achieve 6 bit resolution at 1 GHz. This leaves room for Josephson Junction (JJ) technology to be most likely to deliver the performance required for modern digital systems. The fastest Josephson junction flash A / D converter operating at liquid He temperature achieved 6 bits at 1 GHz and 3 bits at 10 GHz. These low critical temperature (Tc) circuits require high quality Josephson junctions with high nonlinearities that cannot be reproduced using high Tc (HTC) superconductivity. Thus, many well known low Tc Josephson junction circuits and their concepts are considered infeasible in HTC superconductivity. It is therefore reasonable to conclude that this kind of well-known technology reaches a fundamental limit at the capability level, and pursuing new methods is justified and timely.
[0004]
Therefore, there is a need in the art for a new A / D conversion system and method based on HTC superconductivity that produces orders of higher capability levels than was thought possible by using conventional low Tc Josephson junction devices. Remains as before. In particular, there is a need for an A / D conversion system that has a bandwidth capability in excess of 10 GHz with a resolution of 10 bits, which cannot be achieved by known techniques.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Means for Solving the Problems]
[0005]
The prior art discussed above and other problems and deficiencies are due to several methods and apparatus according to the system and method for converting an analog voltage signal to a digital representation, known as the A / D converter of the present invention. Overcoming or mitigated.
[0006]
The present invention teaches an N-bit A / D converter made with N superconducting, preferably HTC, transmission lines. The N lines are arranged in parallel and close to each other. On each line, 2 N - 1 Josephson junction device is embedded in series. Therefore, the Josephson junction element forms a matrix on the configuration of N superconducting transmission lines, whereby the Josephson junction element gives an N-digit binary number in a direction crossing the transmission line. The N-digit binary numbers are arranged in integer order along the direction. A scanning electron beam is generated to strike the device. This beam is scanned across the transmission line at a high frequency, while it is deflected along the line direction by the applied voltage. The beam causes a voltage step on each of the N transmission lines to strike any one of the N Josephson junction elements. In this way, an N-bit step voltage pattern is generated on the transmission line by cross scanning of each beam. This pattern is a direct reading of the input voltage signal.
[0007]
The above discussed and other features and advantages of the present invention will be understood by those skilled in the art from the following detailed description and drawings.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0008]
The present specification is based on an HTC superconducting weak link element capable of producing higher performance level orders than would have been possible using conventional low Tc Josephson Junction (JJ) elements. A novel A / D converter system and method are disclosed. This system relies on two phenomena. First, the electron beam can be deflected within a frequency range of several GHz. Second, the Josephson junction element (JJ) is converted to a voltage state when it is hit by an appropriate electron beam. This ultra high performance A / D converter utilizes electron beam interaction with superconducting elements and circuitry. In particular, the systems and methods disclosed herein can deflect an electron beam with a bandwidth greater than 10 GHz, and can provide an A / D converter with 10-bit resolution and 10 GHz bandwidth performance. This has been impossible to achieve with conventional techniques. This hybrid system also benefits from the important low isolation nature of superconducting transmission lines and the ultrafast switching of HTC weak links. In one embodiment, a 12-bit A / D converter with an analog bandwidth from 500 MHz to 1 GHz is feasible. This is a high order according to other technologies. In another embodiment, the performance of the A / D converter can be improved to 10 GHz with 12 bits.
[0009]
It is well known that Josephson junction devices are switched from a zero voltage state to a finite voltage state when excited by an energetic electron beam. This beam produces quasiparticles that suppress the Josephson current. Figure 1 is a current-voltage characteristic of the Josephson device of the weak link type, which has a critical current J o, which is a biased current at a current I g. If the electron beam is applied, J o is suppressed (lower of I g) I 'o, to switch the device from the zero voltage state to V o. The device is reset to a zero voltage state when the electron beam excitation is removed. It is well known that the switching speed of weak link type Josephson junction devices is in the subpicosecond range. To achieve this, the energy E e of the electron beam must at the same time be on the order of Josephson energy E j = I o M o / 2B, where E e is more than the superconducting condensation energy. Must be very small. When using a Josephson device, I o is in the range of 0.1 to ImA, the electron beam current and voltage are a few μA and a few KV, respectively, and the beam excitation pulse period is 1-10 picoseconds. The condition of being in the range can be easily satisfied.
[0010]
FIG. 2 shows a transmission line 20 as a component of the multi-bit A / D converter system disclosed herein. The transmission line 20 is a non-dispersive HTC superconducting transmission line that continuously includes a plurality of Josephson junctions 22 (as shown by the cross section of FIG. 2). Transmission line 20 is generally Z o has characteristic impedance effect of (several ohms) and are matched (matched) at both ends. Current supply biases the Josephson junction in I g, and, as indicated above, when the electron beam that hits in any one of these junctions, the voltage pulse V o is generated, the line output of the Sent to the end. This transmission line has a length L that defines a signal transmission delay time T from left to right, where T is V p is the transmission line phase velocity and, in practical circumstances, 1 of the speed of light. T = L / vp when equal to / 3. The transmission delay time generally limits the resolution bandwidth and bits of the A / D converter.
[0011]
Therefore, the A / D converter includes the N transmission lines 20 shown in FIG. The principle of operation is shown in FIG. 3, in which a 3-bit A / D converter 30 is shown. In this case, the three transmission lines 32a, 32b and 32c are located adjacent to each other and are separated by a suitable distance to minimize crosstalk. These transmission lines 32a, 32b and 32c are provided along the Y direction, and the electron beam is swept or scanned along the X direction. Also shown in FIG. 3 are 2 3 or 8 rows indicated by Y 0 through Y 7 . In the XY plane, a matrix having eight rows and three columns (three transmission lines 32a, 32b and 32c) is formed. The bit pattern indicating the position of each row is indicated by the Josephson junction (X) number of each row. For example, the first row, Y o does not have a Josephson junction element, and the bit pattern indicating the Y o position is (0, 0, 0). On the other hand, Y 7 has three Josephson junction elements and the bit pattern is (1, 1, 1). In order to achieve the A / D converter function, this utilizes the ability to scan the electron beam in the XY plane direction very quickly. Electron beam deflection with a bandwidth approaching 20 GHz is possible. In the X direction, the electron beam is continuously swept at the sampling frequency f s (f s > 10 GHz). Input analog signal is applied to the Y deflection system, the beam in the Y direction, depending on the value of the input analog signal, from the Y o at a position between the Y 7, deflects. For example, if the input analog signal is zero, the electron beam is swept across the first row (Y o ) in the X direction, and in this case there is no Josephson junction in this row, so there are three lines The output voltage of is a bit pattern (0.0.0). At the highest input voltage, the beam is deflected in the Y direction so that it can traverse the eighth row (Y 7 ), and the three Josephson junctions switch (according to FIGS. 1 and 2). And the output is a bit pattern (1, 1, 1). Of course, if the value is between zero and the highest value, the beam will sweep across other rows. As the analog signal changes, the output bit pattern changes to reflect it at the sampling frequency f s . It should be understood by those skilled in the art that a Josephson junction element is assigned to “1” and assigned to override “0” or vice versa. It is optional.
[0012]
The 3-bit A / D converter 30 obviously depends on the zero resistance and non-dispersive quality of the superconducting transmission line, the extremely high switching speed of the Josephson junction and the ability to deflect the electron beam at several GHz in the XY direction. ing.
[0013]
In FIG. 4, an N-bit general A / D converter 40 is shown. Here, of course, N transmission lines 42a, 42b, 42c. . . 42 N-1 is required. The row repeats with period p and with the length of the Josephson junction element, and it is also the length of the void, ie the shortest part of the line without the Josephson junction element. The total length of each transmission line is L = p2 N. This relationship indicates that if L is kept constant, the number of bits increases as the value of p decreases, thereby allowing a wider analog bandwidth. The analog bandwidth is limited by the propagation delay T of the signal in the transmission line 42, which is related to the length of the transmission line. The bandwidth of the A / D converter 40 can be expressed as BW = 1 / 2T.
[0014]
The sampling frequency is the frequency at which the electron beam is swept in the X direction, which determines the maximum performance of the system. Maximum analog bandwidth BW of the system can not exceed 1 / 2f s. As shown in FIG. 5, the performance of the A / D converter is generally partitioned by three lines or regions.
[0015]
The flat region is limited by the relationship of the electron beam deflection bandwidth in the Y-direction, f s and BW = f s / 2. Only if the sampling interval is longer than approximately 3T, analog bandwidth BW = f s / 2 is independent of the bits representing the resolution. If P = 0.5 microns and the beam size is equal to 0.5 microns in diameter, f s = 20 GHZ gives a maximum analog bandwidth of 10 GHz and a maximum bit number N = 13.
[0016]
Light limits the area, ie if N> 13, the bandwidth is related to the number of bits as shown in the following formula: BW = (c / 2np) x (1/2 N ) where , C is the speed of light, n reflects how slow the transmission line phase speed is compared to c, individually processed to be 3 and p is the pitch. From this equation, 1 GHz BW and N = 17 bits are obtained.
[0017]
In the above formula, since the transmission line length is not infinitely long, the maximum length limit shown in FIG. 5 is given. Based on experience-based intuition, practical constraints such as micro-device fabrication, electron beam scan distance, beam defocus, etc., the maximum transmission line length is about 10 cm, in this case the performance of the A / D converter Has a resolution of 18 bits with a bandwidth of 500 MHz.
[0018]
By setting the pitch to 0.5 microns or less and the electron beam deflection bandwidth to be larger than 20 GHz, the performance can be further improved as shown by the dashed curve in FIG. Both can be realized by advanced lithography and micro-element manufacturing techniques, along with precise design of the electron beam deflection system.
[0019]
From the above analysis, it is clear that the electron beam A / D converter of the present invention has a higher performance order than the most advanced Josephson junction circuit. The possibility of obtaining an analog bandwidth of 10 GHz with 13-bit resolution, or 1 GHz with 17 bits, is impossible to contemplate using other techniques. A key factor to achieving this type of extremely high performance level is the ability to produce electron beam deflection circuits with bandwidths in excess of 10 GHz. This is because S.A. M.M. Kokimski (IEEE Transitions on Electron Devices, Vol. 38. page 1524, June, 1991). Another important effect of this novel concept is that the Josephson junction can be of weak link type rather than a tunnel junction with sharp quasi-particle tunneling components. The weak link can be made immediately using HTC superconducting material, so that it can be cooled to 77 ° K in the miniature refrigerator shown in FIG.
[0020]
The main problem with achieving a deflection bandwidth of 20 GHz or above is related to linearity in the dynamic range above 2 N for N> 10. Fortunately, the disclosed A / D converter architecture can be addressed with a superconducting chip. Instead of rows that repeat periodically at pitch p, a group of rows has a variable space determined by non-linear measurements. This scheme can therefore minimize non-linearity.
[0021]
A preferred embodiment of an ultra high performance A / D converter system 70 is shown schematically in FIG. The A / D converter system 70 includes three large subsystems. The electron beam subsystem 76 is known, for example, with the ability to generate and transmit an electron beam with a voltage in the range of 1-5 KV, depending on the desired analog bandwidth, eg, 0.5 micron diameter, 0.1 μA. It has an electron beam generator. Depending on performance, the XY direction deflection circuit is designed to achieve a bandwidth in the range of 100 MHz to 200 GHz.
[0022]
Superconducting transmission line tip 76, is provided along with the appropriate insulation and resistor technology and regulated source, it is a linear transmission of achievable as described with respect to FIGS. 2-4, high T c superconductors A transmission line and a weak link element are used. Chip 76 preferably includes a wide bandwidth amplifier for interfacing room temperature electronics. The chip 76 must be packaged in a vacuum seal device so that the top side is in a vacuum state, and the other surface is connected to a thermally cooled subsystem 78 and subjected to electron beam excitation.
[0023]
A cooling subsystem 78 is provided to compensate for the disappearance of the milliwatt fraction of the power supply from the superconducting circuit. Therefore, the cooling limit is not severe. For example, cooling can be accomplished simply using the miniature Stirling cycle refrigerator shown in FIG. 6, which is well known.
[0024]
Additional electronic components, not specifically shown in FIG. 7, may also be used for specific applications, such as linear wide bandwidth amplifiers, simultaneity generators and room temperature interface electronic components, memory buffers and processors. Can be included as needed.
[0025]
The modifications to the various aspects of the invention described above are merely exemplary. It will be appreciated that other modifications to the illustrated embodiment will immediately occur to those skilled in the art. All such modifications and changes are considered within the spirit and scope of the invention as defined in the claims.
[Brief description of the drawings]
[0026]
FIG. 1 shows current-voltage characteristics of a weak link Josephson junction element.
FIG. 2 shows a low dispersive HTC superconducting line excited by an electron beam, matching at both ends and including a series of weak links.
FIG. 3 shows a 3-bit electron beam excited superconducting A / D converter.
FIG. 4 shows a typical N-bit, beam-excited superconducting A / D converter.
FIG. 5 shows the expected capability of the electron beam A / D converter of the embodiment as an example.
FIG. 6 shows a miniature Stirling closed cycle refrigerator.
FIG. 7 shows a schematic diagram of an ultra-high performance analog-to-digital converter system.

Claims (6)

電圧信号のサイズに関する情報を得るシステムであって、
始点を有する超伝導伝送線と、
1又は2以上のジョセフソン接合素子であって、前記超伝導伝送線に埋め込まれ、前記始点から所定の間隔で並んでいる、前記ジョセフソン接合素子と、
電子ビームであって、前記超伝導伝送線に当てられるものであり、この電子ビームは電圧信号の大きさに比例する量だけ超伝導伝送線の方向に沿って変位するように受光されるものであり、そして、前記電子ビームは、前記1以上ジョセフソン接合素子のうちのいずれか1つに当たる状態で、前記超伝導伝送線上に電圧ステップを生成するものである、前記電子ビームと
を有するシステム。
A system for obtaining information about the size of a voltage signal,
A superconducting transmission line having a starting point;
One or two or more Josephson junction elements, embedded in the superconducting transmission line, and arranged at a predetermined interval from the starting point; and
An electron beam that is applied to the superconducting transmission line, the electron beam being received so as to be displaced along the direction of the superconducting transmission line by an amount proportional to the magnitude of the voltage signal; And the electron beam generates a voltage step on the superconducting transmission line in a state where it hits any one of the one or more Josephson junction elements.
請求項1のシステムであって、更に、
N−1本の追加の超伝導伝送線であって、このN−1本の追加の超伝導伝送線は、近接して配置され、実質的にお互いに並行であり、前記超伝導伝送線と共に、N本の実質的に同一の超伝導伝送線からなる構成を与え、その構成は2つの特徴的な方向、すなわち前記伝送線に沿う方向のY方向と、伝送線を横切るX方向を有する、前記追加の伝送線と、
N本の超伝導線構成上に埋め込まれたジョセフソン接合素子のマトリックスであって、このマトリックスは、N本の超伝導線の各一上の2N−1個のジョセフソン接合素子から形成され、ここで、前記ジョセフソン接合素子は、N桁のバイナリ番号がX方向に沿って、さらに前記N桁のバイナリ番号がY方向に沿って数値順に並ぶようになっている、マトリックスと、
電子ビームが周期的にN本の超伝導伝送線のそれぞれに当たるよう、前記電子ビームをx方向に偏向させる電圧走査と
からなる。
The system of claim 1, further comprising:
N-1 additional superconducting transmission lines, wherein the N-1 additional superconducting transmission lines are arranged in close proximity and substantially parallel to each other, together with the superconducting transmission line Giving a configuration consisting of N substantially identical superconducting transmission lines, the configuration having two characteristic directions: a Y direction along the transmission line and an X direction across the transmission line; The additional transmission line;
A matrix of Josephson junction elements embedded on an N superconducting wire configuration, the matrix being formed from 2 N-1 Josephson junction elements on each one of the N superconducting lines. Here, the Josephson junction element includes a matrix in which N-digit binary numbers are arranged in numerical order along the X direction, and further, the N-digit binary numbers are arranged in numerical order along the Y direction;
It comprises voltage scanning for deflecting the electron beam in the x direction so that the electron beam periodically hits each of the N superconducting transmission lines.
請求項2記載のシステムにおいて、前記超伝導伝送線は、HTC超伝導体材料で形成されているシステム。The system of claim 2, wherein the superconducting transmission line is formed of an HTC superconductor material. 請求項3記載のシステムにおいて、
前記HTC超伝導体材料が抵抗なしで電流を導通させる環境を提供する冷却サブシステムと、
吸引装置システムをさらに有する電子ビーム・サブシステムと
をさらに有するシステム。
The system of claim 3, wherein
A cooling subsystem that provides an environment in which the HTC superconductor material conducts current without resistance;
An electron beam subsystem further comprising an aspirator system.
時間変動電圧信号のNビットのデジタルサンプルを採る方法であって、
N本の超伝導伝送線を供給する工程であって、このN本の追加の超伝導伝送線は、互いに近接して配置され、実質的に互いに並行であり、2つの特徴的な方向、すなわち前記伝送線に沿う方向のY方向と、伝送線を横切るX方向とを有する構成を与えるものである、前記工程と、
N本の各超伝導線構成上に連続的に2N−1個のジョセフソン接合素子を埋め込む工程であって、前記ジョセフソン接合素子は前記N本の超伝導伝送線の構成上にマトリックスを構成し、前記ジョセフソン接合素子を、N桁のバイナリ番号をX方向に沿って生成し、さらに前記N桁のバイナリ番号がY方向に沿って整数順に並ぶように、置くものである、前記工程と、
前記N本の超伝導伝送線の配列上に電子ビームを当てる工程であって、前記電子ビームは走査電圧によってX方向に偏向され、前記電子ビームは周期的にN本の超伝導伝送線のそれぞれに当たるようになっており、前記電子ビームはまた時間変動電圧信号のサイズに比例してY方向に偏向されるように受光され、前記電子ビームはジョセフソン接合素子の一つに当たる状態で前記N本の超伝導伝送線のいずれか1つの上で電圧ステップを生成し、これによりN本の線上の前記電圧ステップは前記時間変動電圧信号をデジタル的に表すものとなる、前記工程と、
を有する方法。
A method of taking an N-bit digital sample of a time-varying voltage signal,
Providing N superconducting transmission lines, the N additional superconducting transmission lines being arranged close to each other and substantially parallel to each other in two characteristic directions: Providing a configuration having a Y direction along the transmission line and an X direction across the transmission line; and
The step of successively embedding 2 N-1 Josephson junction elements on each of the N superconducting wire configurations, wherein the Josephson junction device has a matrix on the configuration of the N superconducting transmission lines. The Josephson junction element is configured such that an N-digit binary number is generated along the X direction, and the N-digit binary numbers are arranged in an integer order along the Y direction. When,
Applying an electron beam onto the array of N superconducting transmission lines, wherein the electron beam is deflected in the X direction by a scanning voltage, and the electron beam is periodically applied to each of the N superconducting transmission lines. The electron beam is also received so as to be deflected in the Y direction in proportion to the size of the time-varying voltage signal, and the electron beam hits one of the Josephson junction elements. Generating a voltage step on any one of the superconducting transmission lines, whereby the voltage step on the N lines is a digital representation of the time-varying voltage signal;
Having a method.
請求項5記載の方法において、超伝導伝送線を構成するためのHTC超伝導体材料を選択する工程をさらに含む方法。6. The method of claim 5, further comprising selecting an HTC superconductor material for constructing the superconducting transmission line.
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